Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e.V., Dortmund (Hrsg.), Frühjahrskongress 2017 in Brugg: Soziotechnische Gestaltung des digitalen Wandels – kreativ, innovativ, sinnhaft – Beitrag A.1.10

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Entwicklung eines ergonomischen Bewertungstools für gesundheitsförderliche physische Arbeit

Pablo THEISSEN1, Manfred DANGELMAIER2

1Universität Stuttgart, Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement

2 Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart, Deutschland

Kurzfassung: Der Beitrag beschreibt die Entwicklung eines ergo-nomischen Bewertungssystems für die Arbeitsplatzgestaltung. Es ist für den Einsatz mit digitalen Menschmodellen im Rahmen der konzeptiven Ergonomie als auch mit physiologischen Messsystemen für die korrektive Ergonomie vorgesehen. Neben klassischen, protektiven Bewertungs-methoden zur Vermeidung von Überforderung werden zusätzlich Metho-den zur Vermeidung von Unterforderung eingeführt. Durch die Förderung ausgewogener Arbeitsabläufe wird ein salutogener Effekt erzielt. Schlüsselwörter: Ergonomische Bewertung, Biomechanik, Gesundheitsförderung, Arbeitsplatzgestaltung

1. Problemstellung

Ergonomische Bewertungsverfahren sind in der Arbeitswissenschaft und der betrieblichen Praxis gut eingeführt und werden in vielen Betrieben zur Planung und Gestaltung von Arbeitsplätzen vor allem in der Fertigung eingesetzt. Die meisten dieser Verfahren wurden zunächst für die Analyse existierender Arbeitsplätze im Sinne einer korrektiven Ergonomie entwickelt (Schaub et al. 2013 ; Steinberg 2012). Häufig wurden sie auch auf anthropometrische digitale Menschmodelle übertragen. Typischerweise wird die Körperhaltung sowie das Heben und Handhaben von Lasten bzw. teilweise das Aufbringen von Kräften bewertet (Spanner-Ulmer und Mühlstedt 2010). Den Verfahren gemeinsam ist aus praktischen Gründen die Beschränkung auf von außen beobachtbaren bzw. einfach messbaren Belastungsgrößen. Etablierte Bewertungsverfahren für interne Größen wie Muskel- oder Sehnenkräfte existieren bislang nicht.

Zudem berücksichtigen die herkömmlichen ergonomischen Bewertungsverfahren die wissenschaftlichen Erkenntnisse (Owen et al. 2010 ; Varo et al. 2003 ; Reimer et al. 2015; Froböse und Wallmann-Sperlich 2016) und Experteneinschätzungen (Bauer und Vocke 2016) zu den gesundheitlichen Risiken aus unserer sitzenden Lebens- bzw. Arbeitsweise nur unzureichend. Damit steht die Ergonomie zunehmend im Widerspruch zur betrieblichen Gesundheitsförderung. Während die Arbeits-wissenschaft die physische Belastung typischerweise zum Schutz des arbeitenden Menschen nach oben begrenzt, fordert die Sportmedizin mehr physische Aktivität, um den Risiken einer sitzenden Lebensweise entgegenzuwirken. In der ergo-nomischen Bewertung wird dieses Schutzziel aber bislang übersehen.

Dieser Beitrag präsentiert daher die Entwicklung eines ergonomischen Bewertungssystems aus bekannten Komponenten, das zusätzlich zu Anthropo-metrie, Körperhaltungen, handzuhabenden Lasten und eingeprägten Kräften auch

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die inneren Kräfte im muskuloskelettalen System berücksichtigt. Ferner soll das Verfahren neben der Überforderung auch die physische Unterforderung aufdecken, um bei der Arbeitsplatzgestaltung einer passiven, sitzenden Arbeitsweise entgegen-zuwirken. Die Arbeiten sind Teil des Fraunhofer-Forschungsprojektes EMMA-CC zur Entwicklung eines kognitiv gesteuerten biomechanischen Menschmodells.

2. Vorgehensweise

Basierend auf einer Literaturrecherche und Vorarbeiten im Projekt EMMA-CC wird zunächst ein Bandbreitenmodell der Belastung bzw. Beanspruchung entwickelt, das sowohl Über- als auch Unterforderung berücksichtigt und diese zu vermeiden helfen soll (Dangelmaier et al. 2015). Basierend auf der Literatur werden in einem dis-kursiven Prozess die zu überwachenden Belastungs- bzw. Beanspruchungsgrößen und die zu implementierenden Verfahren festgelegt. In einem weiteren Schritt wird eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für Planungsingenieure entworfen, die das Bandbreitenmodell in Form eines Live-Cockpits umsetzt. Im Rapid-Prototyping-Verfahren wird das Bewertungssystem realisiert und für einen exemplarischen Anwendungsfall umgesetzt.

3. Ergebnisse

Nach dem Top-Down-Prinzip wurden Ergebnisse auf drei verschiedenen Abstraktionsebenen ermittelt. Zunächst werden übergeordnete Anforderungen an alle Bewertungsmethoden gestellt. Diese werden im Einzelnen vorgestellt und abschließend für den Nutzer verständlich in einem User Interface aufbereitet.

Den Input für die Bewertungsmethoden liefert im Rahmen des EMMA-CC Projekts ein digitales, muskuloskeletales Menschmodell. Da Bewertungsmethoden und -tool vom Menschmodell entkoppelt sind, kann die Dateneingabe auch mittels Motion Tracking und EMG erfolgen.

3.1 Bandbreitenmodell

Zentrales Element dieses Bewertungstools ist das Bandbreitenmodell, welches im Gegensatz zum klassischen Beanspruchungsmodell nicht nur Schädigung durch Überforderung verhindert, sondern zusätzlich auch Schädigung durch Unter-forderung betrachtet (vgl. Abbildung 1). Die Bewertungsmethoden werden derart gestaltet, dass Arbeitsabläufe im optimalen, schädigungsfreien Band bevorzugt werden und so eine gesundheitsförderliche Arbeitsgestaltung unterstützt wird. Die exakte Breite und Position dieses optimalen Bandes hängt von individuellen Faktoren des Menschen ab und wird in den Bewertungsmethoden durch verschiedene Personas berücksichtigt.

3.2 Bewertungsmethoden

Der Arbeitsablauf wird in den Kategorien »Haltung«, »muskuläre Belastung«, »metabolische Belastung«, »Kognition« und »Fitness« jeweils separat bewertet. Es wurden diese fünf Kategorien gewählt, um einen Kompromiss aus Verständlichkeit für ergonomisch nicht versierte Nutzer und Genauigkeit der Auswertung zu erhalten. Ferner erlaubt die Aufteilung in verschiedene Kategorien, einen Arbeitsablauf nur

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punktuell zu optimieren, etwa den Fitness-Level zu erhöhen, ohne dabei eine ergonomisch schlechtere Körperhaltungen zu verursachen. Mit einem Fokus auf den Oberkörper und das Hand-Arm-System wurde für dieses Bewertungstool als Haltungsbewertung RULA (»Rapid Upper Limb Assessment«: McAtamney und Nigel Corlett 1993) gewählt. Es wurde lediglich die Haltungs-komponente der RULA-Methode verwendet, da die Kraftbewertung in RULA nur rudimentär ausgeführt ist und durch die wesentlich genauere Auswertung der Muskelkräfte in diesem Tool bereits abgedeckt ist.

Die durch Simulation von Hill-Muskeln oder durch EMG bereitgestellten muskulären Daten werden als Verhältnis von aufgebrachter zu maximaler Muskel-kraft F/Fmax (auch »% MVC«, Prozent der Maximum Voluntary Contraction) bewertet. Die Muskelkraftbewertung geschieht sowohl momentan (Abgleich von F/Fmax mit definierten Grenzwerten) als auch summarisch über den gesamten Arbeitsablauf. Die summarische Bewertung betrachtet, ob notwendige Erholzeiten eingehalten werden, bevor ein Muskel erneut belastet wird.

Zur metabolischen Bewertung wird der Ansatz von Garg et al. (1978) heran-gezogen, welcher die metabolische Belastung bei körperlicher Arbeit anhand der Arbeitsbeschreibung und verschiedener persönlicher Parameter des Menschen ermittelt. Anhand der Arbeitsbeschreibung wird zunächst die metabolische Grundlast ermittelt, anschließend eine Anpassung anhand von Tätigkeits-Parametern (Dauer, Bewegung des Arbeitsstücks, Arbeitshöhen, Körperhaltung, etc.) und persönlichen Parametern (Geschlecht, Körpergewicht, Gehgeschwindigkeit) vorgenommen. Für eine Abfolge von mehreren Tätigkeiten werden die einzelnen metabolischen Belastungen separat berechnet und anschließend über die Zeit gewichtet summiert.

Neben den im Vorigen behandelten, protektiven arbeitswissenschaftlichen Methoden verarbeitet dieses Tool Forderungen der Sport- und Gesundheitswissen-schaften (Riebe et al. 2015). Diese Fitness-Bewertung beinhaltet unter anderem – ist aber nicht begrenzt auf – die Forderung nach 10 000 Schritten pro Tag (angepasst an die Tätigkeitsdauer; Le Masurier et al. 2003) sowie stündlichen Bewegungen des gesamten Körpers zur Vermeidung einseitiger Belastung.

Physische

Beanspruchung

Physische

Beanspruchung

ÜberforderungSchädigung

Arbeit mit hohen Kräften,Repetitionen, Haltungsbelastung

Statische Haltung

ÜberforderungSchädigung

Arbeit mit hohen Kräften,Repetitionen, Haltungsbelastung

Statische Haltung

Übertraining

Optimaler BereichSchädigungsfreiRessourcenerhaltungRessourcenaufbau

UnterforderungSchädigung

Vielseitige physischeBelastung

TrainingswirsameBeanspruchung

Herkömmlicher Arbeitsschutz

Sitzende Arbeits-und Lebensweise

Abbildung 1: Links: Überlastungsmodell, rechts: Bandbreitenmodell

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3.3 User Interface

Der Nutzer des Bewertungstools erhält eine Liveauswertung mit grafischer Oberfläche sowie eine Gesamtauswertung in Berichtform. Diese beiden Auswertungen ergänzen sich gegenseitig und sollen auch für einen Ingenieur ohne tiefgehende ergonomische und menschmodell-bezogene Kenntnisse verständlich sein. Die Gesamtauswertung wird hier nicht vorgestellt.

Die Liveauswertung verlangt zunächst die Auswahl der Simulation (z. B. verschiedene Ausführungen der gleichen Aufgabe) und der Persona (z. B. männlich, 30 Jahre, 85 kg, 185 cm) und spielt diese in der linken Fensterhälfte ab (Abbildung 2). Parallel zur graphischen Darstellung der Simulation werden in Balkenform (Abbildung 2, mittig) die Kriterien zur Überlastung angezeigt. Rechts werden in Ringform die Fitness-Parameter angezeigt. Ist ein Ring vollständig geschlossen, ist das Fitnessziel für dieses Zeitfenster erfüllt. Die Simulation kann entweder vollständig abgespielt werden oder es können in einer punktuellen Wiederholung kritische Abläufe genauer analysiert werden und zum Beispiel überlastete Muskeln farblich am Modell hervorgehoben werden. Das Auswertungstool macht selbstständig Vorschläge, welche Wiederholungen von welcher Dauer für den Nutzer von Interesse sein können. Das Tool wird in Unity und C# entwickelt.

4. Diskussion

Während die oberen Belastungsgrenzen in der arbeitswissenschaftlichen Praxis erprobt sind und als arbeitswissenschaftliche Erkenntnisse gelten, ist dies für die unteren Grenzen noch nicht der Fall. Zwar ist das Risikopotential einer sitzenden

Abbildung 2: Live-Cockpit der ergonomischen Bewertung; abgebildet ist ein noch nicht voll funktionsfähiger Prototyp

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Lebensweise inzwischen allgemein anerkannt, nicht aber die empfohlenen Minimaldosen. Empfehlungen wie zum Beispiel »10.000 Schritte am Tag« sind wissenschaftlich noch nicht hinreichend gesichert. Insbesondere fehlen noch Langzeiterfahrungen zur Auswirkung der Aktivitätsförderung, wie sie heute durch Aktivitätstracker geleistet wird. Insofern sind die im Verfahren implementierten Empfehlungen für körperliche Aktivitäten noch vorläufig.

Die im Bewertungsverfahren implementierte Zweigleisigkeit, einerseits Über-lastung mit konventionellen Methoden sicher zu verhindern und andererseits Bewegung zu fördern, führt zu einer Widersprüchlichkeit in der Darstellung. Manche Arbeiten erscheinen einerseits gesundheitsförderlich, da die geforderten Minimal-aktivitäten erbracht wurden, auf der anderen Seite kann aber eine Überforderung aus herkömmlicher ergonomischer Sicht vorliegen. Es bleibt abzuklären wie Planer mit der Interpretation zurechtkommen.

Die Bewertung der kognitiven Belastung wurde bislang noch nicht implementiert.

5. Literatur

Bauer, Wilhelm; Vocke, Christian (2016): Implications of sedentary lifestyle for designing dynamic work in times of digital selfness. In: Advances in Physical Ergonomics and Human Factors. Cham: Springer International Publishing, S. 675–685.

Dangelmaier, Manfred; Bauer, Wilhelm; Vocke, Christian; Melcher, Vivien (2015): Work and Workout - How to Introduce Healthy Workload at Workplaces. In: Procedia Manufacturing 3, S. 4971–4977. DOI: 10.1016/j.promfg.2015.07.644.

Froböse, Inge; Wallmann-Sperlich, Birgit (2016): Der DKV Report „Wie gesund lebt Deutschland?“ 2016. Hg. v. DKV Deutsche Krankenversicherung.

Garg, Arun; Chaffin, Don B.; Herrin, Gary D. (1978): Prediction of metabolic rates for manual materials handling jobs.

Le Masurier, Guy C.; Sidman, Cara L.; Corbin, Charles B. (2003): Accumulating 10,000 steps: does this meet current physical activity guidelines? In: Research quarterly for exercise and sport 74 (4), S. 389–394. DOI: 10.1080/02701367.2003.10609109.

McAtamney, L.; Nigel Corlett, E. (1993): RULA: a survey method for the investigation of work-related upper limb disorders. In: Applied Ergonomics 24 (2), S. 91–99.

Owen, Neville; Sparling, Phillip B.; Healy, Geneviève N.; Dunstan, David W.; Matthews, Charles E. (2010): Sedentary behavior: Emerging evidence for a new health risk. In: Mayo Clinic Proceedings 85 (12), S. 1138–1141. DOI: 10.4065/mcp.2010.0444.

Reimer, Jenny; Wallmann-Sperlich, Birgit; Froböse, Ingo (2015): Die körperliche Aktivität, das Sitzverhalten und der Medienkonsum von Kindern in Deutschland. Ergebnisse und Erkenntnisse der DKV-Befragung "Wie gesund lebt Deutschland" 2015. In: Deutsche Jugend : Zeitschrift für die Jugendarbeit 63 (9), S. 383–390.

Riebe, Deborah; Franklin, Barry A.; Thompson, Paul D.; Garber, Carol Ewing; Whitfield, Geoffrey P.; Magal, Meir; Pescatello, Linda S. (2015): Updating ACSM's Recommendations for Exercise Preparticipation Health Screening. In: Medicine and science in sports and exercise 47 (11), S. 2473–2479. DOI: 10.1249/MSS.0000000000000664.

Schaub, K.; Caragnano, G.; Britzke, B.; Bruder, R. (2013): The European Assembly Worksheet. In: Theoretical Issues in Ergonomics Science 14 (6), S. 616–639. DOI: 10.1080/1463922X.2012.678283.

Spanner-Ulmer, Birgit; Mühlstedt, Jens (2010): Digitale Menschmodelle als Werkzeuge virtueller Ergonomie. Ergebnisse einer empirischen Studie. In: Industrie-Management : Zeitschrift für industrielle Geschäftsprozesse 26 (4), S. 69–72.

Steinberg, Ulf (2012): Leitmerkmalmethode Manuelle Arbeitsprozesse 2011. Bericht über die Erprobung, Validierung und Revision; Forschung Projekt F2195. Dortmund, Berlin, Dresden: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, zuletzt geprüft am 01.03.2016.

Varo, Jose J.; Martinez Gonzales, Miguel A. [Author Reprint Author; Irala Estevez, Jokin de; Kearney, John; Gibney, Michael; Martinez, J. Alfredo (2003): Distribution and determinants of sedentary lifestyles in the European Union. In: International Journal of Epidemiology 32 (1), S. 138–146.

Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e.V.

Soziotechnische Gestaltung des digitalen Wandels – kreativ, innovativ, sinnhaft 63. Kongress der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft FHNW Brugg-Windisch, Schweiz 15. – 17. Februar 2017

Press

Bericht zum 63. Arbeitswissenschaftlichen Kongress vom 15. – 17. Februar 2017

FHNW Brugg-Windisch, Schweiz

Herausgegeben von der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e.V. Dortmund: GfA-Press, 2017 ISBN 978-3-936804-22-5

NE: Gesellschaft für Arbeitswissenschaft: Jahresdokumentation

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